發(fā)現(xiàn)碳酸鈣晶體如何獲得強(qiáng)度

　　碳酸鈣可以在許多東西中找到，從白堊、軟體動(dòng)物貝殼、巖石到珍珠、蛋殼和煤球。這種化合物的強(qiáng)度各不相同。太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)的材料科學(xué)家正在研究是什么賦予碳酸鈣晶體強(qiáng)度。

　　發(fā)表在《自然通訊》(Nature Communications)雜志上的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將軟性生物物質(zhì)團(tuán)塊并入晶體中的原子，有助于增強(qiáng)材料的強(qiáng)度。通過(guò)研究這種天然材料形成的機(jī)理，科學(xué)家們希望開(kāi)發(fā)出一種新材料，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源的未來(lái)。

　　“一種材料的強(qiáng)度取決于它破壞其底層晶體基質(zhì)的容易程度。如果一種材料被壓縮，那么它就會(huì)變得更難將基體分解。捕獲在碳酸鈣晶體中的蛋白質(zhì)在晶體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生一種壓縮力或應(yīng)變?！芭c導(dǎo)致肌肉酸痛的壓力不同，這種壓力對(duì)材料很有幫助，因?yàn)樗蛊茐牡讓泳w結(jié)構(gòu)變得更加困難，從而增加了強(qiáng)度?！?/p>

　　研究小組利用原子力顯微鏡觀察了碳酸鈣是如何將蛋白質(zhì)和其他有力量的粒子整合到其結(jié)構(gòu)中的。在實(shí)驗(yàn)中，他們使用了碳酸鈣的濃度，碳酸鈣自然形成結(jié)晶礦物方解石。方解石在形成過(guò)程中會(huì)形成不平整的表面，如實(shí)驗(yàn)室描述的那樣，形成一系列臺(tái)階和梯田。有機(jī)分子的球體，稱為膠束，被添加作為夾雜物材料。

　　科學(xué)家們觀察到這些膠束并不是隨機(jī)分布在碳酸鈣上的。相反，他們粘在臺(tái)階邊緣，“臺(tái)階邊緣有露臺(tái)沒(méi)有的化學(xué)成分，”太平洋西北實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)家吉姆德約羅(Jim De Yoreo)說(shuō)?！斑@些額外的懸空鍵是膠束可以相互作用的?！?/p>

　　膠束隨后被形成的晶體包裹。根據(jù)PNNL的說(shuō)法，一項(xiàng)數(shù)學(xué)模擬證實(shí)了膠束被壓縮得像彈簧一樣，造成了“膠束之間晶格的應(yīng)變，從而提高了機(jī)械強(qiáng)度”。

　　根據(jù)德·約羅的說(shuō)法，這項(xiàng)新工作可能會(huì)為科學(xué)家提供一些想法，比如如何將二氧化碳儲(chǔ)存在有用的材料中，或者如何將光敏粒子并入晶體中，用于太陽(yáng)能的應(yīng)用。